3D打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用综述

黄 晖 李尚政 韦奎丞

( 广西医科大学附属民族医院骨科 ， 广西 南宁 530001 )

随着新材料技术以及计算机技术的不断发展，3D打印技术也随之获得了蓬勃发展，且不断成熟。当前，3D打印技术广泛应用于航空航天、建筑设计、医疗行业等领域。该技术作为一种快速成型技术，受到了医疗行业的青睐，在医学领域的应用范围越加广泛，在髋臼骨折手术治疗中也得到了广泛应用。髋臼骨折发生率在近些年来呈现出逐年升高趋势。由于骨盆髋臼结构较复杂且其形状不规则，给治疗增加了较大难度。3D打印技术主要是通过三维数字模型重建与电子计算机断层扫描技术，以逐层堆叠累积方式形成三维实体模型，从而髋臼骨折提供新的有效辅助治疗途径[1-2]。随着数字骨科的不断发展，3D打印技术使得髋臼骨折手术治疗越加趋向与精细化与个性化[3]。本文就3D打印技术在髋臼骨折手术治疗中的应用及在临床应用中存在的问题及解决办法综述如下。

1 3D打印技术概述：3D打印技术诞生于20世纪80年代后期，但是，由于技术尚不够成熟，且价格昂贵，并未得到推广与普及[4]。最先是在牙科与颌面外科领域应用3D打印技术，近些年来，在骨科手术治疗过程中的引用越来越受到重视，尤其是髋臼骨折手术治疗中。该技术是在术前结合病人CT三维重建的数据来制造1:1的3D实体模型，借此促进医患、医生与家属之间的沟通与交流，为他们提供视觉与触觉上的体验，具有很好的应用前景。在髋臼骨折手术治疗中的具体应用一般有以下3个阶段：(1)初级阶段。通过三维实体模型，以便医生了解患者骨折的类型、程度与每一块骨折块移位等情况，从而帮助医生在术前评估、诊断，术中骨折复位提供有效的参考依据。(2)中级阶段。给予患者个体化植入假体制作以及个性化地治疗。通过该技术可以使假体设计与制作实现个体化，通过量身定做，达到和患者骨骼更为精确地匹配，加快恢复患者患肢功能。(3)高级阶段。通过该技术实现人工组织与器官的打印。当前，该技术还处于初级与中级阶段的，同时，还存在很多有待解决的问题。

2 3D打印技术在髋臼骨折治疗中的临床应用效果分析：在骨科手术当中，往往需通过置入内植物来帮助患者恢复其解剖结构，这种传统手术方法很容易出现手术部位和内植物之间的形态拟合性比较差的问题，且在手术治疗过程中可能会反复多次塑形或尝试各种型号的内植物，从而加重患者患部局部创伤，还会使手术时间延长[5]。而3D打印技术能在术前实现髋臼结构的全景真实模拟，能为患者提供高精度的量身定做的手术方案以及植入体，缩短手术时间、提升手术效果。

2.1 术前规划：髋臼骨折由于其形态不规则且解剖结构较复杂，周边分布很多神经血管，手术难度大，一旦手术处理不当或疏忽，很可能会导致创伤性关节炎、骨盆畸形、神经损伤与肢体短缩等情况。因此，很有必要进行术前计划，制定个体化的规划。对于髋臼骨折的治疗，传统手术方法通常是结合患者X线与CT影像来确定患者骨折类型、移位情况，并选择适合的内固定器械，通过手术实现骨折复位。Wu等[6]的研究通过3D打印技术制作了1例股骨内髁复杂骨折、2例跟骨以及2例髋臼的骨骼模型，通过模拟手术，在手术之前，对螺钉的轨道与尺寸进行了明确，并将钢板进行预弯，大大缩短了手术时间，使操作精确度大大增加，在术后，经过CT检查与X线检查显示，发现患者骨折复位良好。邱宇辰等[7]通过回顾性分析方法，对10例复杂髋臼骨折患者与25例复杂髋臼骨折患者分别采取3D打印技术制定手术方案与常规手术治疗，3D打印治疗组通过术前规划，选择最佳手术方案，结果显示，3D打印技术治疗组的术中失血量、围术期输血量、手术时间与术中透视次数指标均低于常规手术组(P<0.05)，临床效果显著。Upex等[8]的研究通过利用3D打印技术对髋臼骨折患者在术前进行预弯钢板，术中手术操作顺利，在术中直接对骨折部位进行复位并固定即可，置入的钢板匹配良好，且该技术属于微创手术，具有并发症少、损伤小，且复位良好等优势。

2.2 术中简化手术操作：3D打印技术不但能协助医生对患者骨折复位前后情况进行了解，而且还能通过骨折模型在手术之前就能完成精确预弯钢板。而传统手术往往需在手术过程中，在对患者情况进行探查之后再进行钢板折弯操作，才能确定钢板置入的位置等。传统手术往往会耗费大量时间，且钢板安放位置存在一定不确定性，折弯精确度较低。3D打印技术能实现术前预弯钢板，简化术中操作，减少软组织剥离，缩短手术时间。通过数字化设计能明确螺钉方向与螺钉长度，并在3D模型上模拟手术，大大减少了术中明确螺钉方向与长度的时间，同时，减少术中多次透视步骤，降低射线照射量。聂喜增等[9]的研究通过常规术前检查与手术(常规技术组)、3D打印技术治疗(3D技术组)分别对68例与30例复杂骨盆及髋臼骨折患者进行治疗，结果发现，3D技术组输血量、出血量、手术时间均短于常规技术组(P<0.05)；3D技术组骨盆及髋臼骨折复位质量：27例在0-1mm，3例在2-3mm，0例>3mm，复位率为90%(0-1mm)，而常规技术组35例在0-1mm，25例在2-3mm，8例>3mm，复位率为51.4%(0-1mm)，对比差异具有统计学意义(P<0.05)，大大提升了内固定物置入的准确性与安全性，应用效果显著。曾参军等[10]的研究明确提出了腹腔镜辅助联合3D打印技术治疗髋臼骨折，能明显减少术中透视时间以及透视量。也有研究通过3D打印技术来制作导向模板，正确引导螺钉，准确固定患者的骶髂关节，从而实现微创治疗，降低手术难度，也避免了因多次透视而导致的辐射危害，真正实现了髋臼骨折的个性化与精准化[11]。也有研究通过分析髋臼后缘解剖数据，通过3D打印技术制定个性化的解剖型钢板，用于治疗，结果发现术后并没有发现血管神经损伤，能实现螺钉的准确置入，且没有发现螺钉进入患者关节腔情况[12]。

2.3 建立手术导向模板：髋臼骨折影像导航手术已经被广泛应用在临床治疗当中，但由于该手术方法所耗费的材料较为昂贵，对技术要求较高，难以在临床上进行推广[13]。近些年来，有研究着将逆向工程技术。数字化三维重建技术与快速成形技术相结合来进行导航模板设计，从而有利于螺钉置入，缩短手术时间，并降低操作风险，这为现代化髋臼骨折治疗提供了新的治疗理念与辅助手段[14-15]。通过CT三维重建模型可实现数字化分析手术区结构，并利用逆向工程技术对螺钉方向及长度等设计出导航模板模型，最后通过快速成形技术将模型制成实体。在髋臼骨折手术治疗过程中使用导航模板导航，能准确确定螺钉位置与方向，大大提升了手术操作的准确性，使髋臼骨折内固定术变得更加快速、便捷。陈鸿奋等[16]的研究通过将逆向工程、三维重建、现代影像学以及快速成形技术对螺钉导航模板进行科学设计并制作，最终成功制成了髋臼后柱拉力螺钉进钉导航模板，结果显示，通过进钉导航模板能准确置入拉力螺钉。徐勇强等[17]的研究通过CT数字化技术设计拉力螺钉进钉导向器，通过测量螺钉进钉方向与进钉点，为螺钉置钉导向器的设计提供了重要的解剖学基础，大大提升了螺钉置钉的准确性与成功率，有效降低了手术风险，还能有效减轻手术损伤。

2.4 3D打印骨盆髋臼假体植入：针对髋臼骨折患者，通过假体重建帮助患者获得良好的外观以及满意的功能状态，实现早期活动，这已成为当前治疗髋臼骨折后创伤性关节炎或股骨头坏死的一种有效方法。目前临床上使用的常规的标准尺寸的假体一般能满足大多数患者的治疗需求，但是，少数患者会由于骨折导致的严重畸形或严重骨缺损，不得不制定个体化植入物，且近些年来，这部分人的数量在不断增加。有研究指出，将多种重建髋臼缺损的假体应用在临床上，治疗效果显著，但是，还是会存在脱位、松动、感染等并发症[18]。而通过3D打印髋臼假体技术能实现个体化设计并制作，医生可以根据患者髋臼解剖结构特性与其他特殊情况重建髋臼形态，满足患者的治疗需求，而且能较好解决以往假体不完全匹配等问题。Schwartz等[19]与Hughes等[20]的研究通过3D打印技术能根据患者实际情况制作出相应形态的假体，实现截骨面与假体的精确配对，还能通过固定孔径与孔隙率的表面结构，实现骨长入与融合，同时，能明显减少术中出血量，缩短手术时间，降低术后并发症，增加关节的活动度，提升手术操作的精确性与安全性。但是3D打印假体作为一种新技术、新产品，不管是规模化制作，还是个体化制作，在国际上还未有严格的产品质量控制与技术标准，所以，临床应用过程中还是存在一定安全隐患。

3 3D打印技术在临床推广应用中存在的问题及解决办法：当前，3D打印技术在临床推广应用过程中上存在一些问题急需解决，有以下几个方面：(1)打印机器设备与材料成本不低，且打印材料较昂贵，这在很大程度上限制了3D打印技术的广泛应用。另外，对计算机软件处理、编辑等操作具有更高要求，也对3D打印技术的推广应用造成了一定阻碍。(2)材料的选择范围受到较大限制。当前，临床研究中能用于3D打印材料的种类并不多，比较稀缺，且不同材料的模型经消毒后会存在不同程度的变形，对模型的准确性造成了较大影响[21]。再加上利用3D打印技术辅助治疗髋臼骨折当前还处于探索阶段，并没有广泛推广应用。(3)利用3D打印技术打印模型需要一定时间。所谓的快速成型并不是说很快，是相对概念，是相对传统个性化制作模型来说的。这样一来，在急诊手术之中是难以应用的，或者当手术计划出现变更时，在术中也无法进行设计并制作[22]。

面对上述存在的问题，骨科医生应积极寻找相应的解决对策，如：(1)加快3D打印技术专门团队的培养，以解决各种问题，包括术前设计、制作等；(2)通过低温等离子消毒方式来解决由于消毒而导致模型发生变形问题；(3)在手术之前，由高年资医生组织病例探讨研究会，通过交流商定规范、详细且有效的手术方案，尽可能避免临时变更手术方案的情况发生，同时，参与手术的团队成员必须熟练掌握各种髋臼骨折复位方法，以防在因一些特殊情况而无法进行3D打印技术时，能通过传统手术方法进行治疗，减少因突发状况而导致无法完成手术的情况发生[23]。随着3D打印技术的不断进步与成熟，现代影像技术精度的不断提升，再加上新材料的不断研究，相信3D打印技术在治疗髋臼骨折上的应用将更广泛深入，打印髋臼模型能更好更为准确地指导手术，更好地为患者服务。

结语：综上所述，3D打印技术目前还处于起步阶段，在临床应用过程中还存在很多困难，但是它的应用前景还是非常光明的。3D打印技术具有自由成型的特点，尤其适用于较为复杂产品的成型，在复杂微观结构内的置入物制造等方面也具有明显优势，能有效减少手术时间，减少术后并发症的发生风险，提升手术的准确性与成功率，还可较好解决传统手术力学性能差且形状不匹配等问题。笔者相信在不久的将来，3D打印技术会更全面更好地应用于髋臼骨折治疗等相关领域中，在临床上得到更为广泛的应用。